Лабораторная работа №312 Изучение спектра натрия 1



страница1/3
Дата03.05.2021
Размер216 Kb.
Название файла312 Изучение спектра натрия.doc
ТипЛабораторная работа
  1   2   3

Лабораторная работа №312

Изучение спектра натрия

1.1 Цель работы
1 Ознакомится со спектром испускания паров натрия в видимой части спектра, тонкой структурой линий спектра.

2 Определить энергию валентного электрона в различных квантовых состояниях.

3 Рассчитать величину эффективного заряда для основного и возбужденных состояний атома натрия.

1.2 Теоретические сведения
Спектры атомов щелочных металлов, имеющих один электрон на внешней электронной оболочке, похожи на спектр водорода, но число спектральных серий в них увеличивается, а закономерность в расположении линий усложняются. Типичным представителем щелочных металлов является натрий.

Атом натрия состоит из ядра и 11 электронов. Если атом натрия находится в основном состоянии, то его электронная конфигурация, т. е. распределение электронов по оболочкам имеет вид:


.
Число электронов в каждой оболочке указано индексом справа сверху. Первая, ближайшая к ядру оболочка содержит 2 электрона. Для них главное квантовое число n = 1, а орбитальное квантовое число = 0. Вторая оболочка состоит из двух подоболочек (слоев): подоболочки 2s (n = 2, = 0), содержащей два электрона и подоболочки 2p (n = 2, = 1) с шестью электронами. Внешняя оболочка содержит один электрон в 3s состоянии (n = 3, = 0).

Энергетический спектр возбужденного атома натрия более сложен, чем спектр водорода. Усложнение вносится тем, что энергетические состояния валентного электрона для состояний с одним и тем же главным квантовым числом n, но отличающимися орбитальными квантовыми числами , в общем случае отличаются по энергии. В атоме же водорода такие состояния, как говорят, вырождены, т. е. имеют одну энергию. Этот факт теоретически объясняется тем, что электрон атома водорода движется в поле ядра протона, подобном полю точечного заряда.

В атоме же натрия слабосвязанный внешний электрон находится в усредненном поле ядра атома и остальных десяти электронов. Это поле, являясь центрально-симметричным, вместе с тем отличается от поля точечного заряда (спадает по более сложному закону, чем 1/r2). Решение уравнения Шредингера для электрона, движущегося в таком поле, показывает, что энергии возможных стационарных состояний зависят не только от n, но и от . Иными словами, происходит снятие вырождения по , т. е. расщепление энергетического состояния (уровня) с заданным n на n подуровней (напомним, что = 0, 1, 2,…, n – 1). Сказанное иллюстрируется на рисунке 1: уровню 3s (n = 3, = 0) соответствует энергия 5,14 эВ, уровню 3p (n = 3, =1) – энергия 3,1 эВ, а уровню 3d – энергия 1,5 эВ.

Линии излучения атомов натрия двойные (дуплеты). Разберемся, почему это происходит. Электрон, вращаясь вокруг ядра, обладает орбитальным механическим моментом



и орбитальным магнитным моментом
.
– константа, магнетон Бора, знак «–» говорит о том, что векторы механического и магнитного моментов направлены противоположно. Электрон имеет также собственный механический момент, который называется спином
.
s – спиновое квантовое число. Очевидно, у электрона есть и собственный магнитный момент
.
Электрон, обладая собственным магнитным моментом, взаимодействует с магнитным полем, возникающем при движении электрона в поле ядра. Это явление называется спин-орбитальное взаимодействие. Оно имеет релятивистскую природу и исчезает при . Спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению энергетических уровней с одним и тем же n и , на два близко расположенных уровня. Не расщепляются лишь уровни s-состояния (  = 0), т. к. в этом случае орбитальные механический и магнитный моменты равны нулю. Если  0, устанавливается общий механический и магнитный момент электрона, который определяется внутренним квантовым числом . Например, электрон в состоянии 3p (n = 3, = 1) может иметь j = 1/2 или j = 3/2. Но это уже два разных состояния: и .

Обратите внимание на изменение формулы записи квантового состояния: справа внизу у буквы p написано значение внутреннего квантованного числа j для данного состояния. Аналогично запись означает состояние, для которого n = 3, = 1, j = 1/2. Итак, каждому состоянию с  0 соответствует два различных состояния с и . Они отличаются по энергии вследствие спин-орбитального взаимодействия. Однако это отличие для атома натрия экспериментально обнаруживается в нашей работе из-за малой разрешающей способности монохроматора лишь для p-состояния. Поэтому на рисунке 1 p-состояния представлены двумя системами уровней с j = 1/2 и j = 3/2, тогда как d- и f-состояния – только одной системой.

Энергия состояний и отличается согласно теоретическим и экспериментальным данным на 2,210–3 эВ. Атом натрия, переходя из в основное состояние (n = 3, = 0), испускает квант света с длиной волны 5895,92 Å, а из в – с длиной волны 5889,95 Å. Именно эти две близко расположенные линии и составляют яркую желтую двойную линию спектра испускания паров натрия. Их называют желтым дуплетом или D-линией. Заметим, что при возбуждении паров натрия часть атомов переходит из в состояние, а часть в . Причем, возбуждение в состояние происходит чаще, чем в , поэтому, линия 5889,95 Å видна более яркой. Постарайтесь заметить этот факт при визуальном наблюдении спектра.

Из всех возможных переходов реализуются только некоторые, удовлетворяющие устанавливаемым в квантовой механике правилам отбора:


.
Схема энергетических уровней натрия (горизонтальные линии) и переходы между ними, (наклонные стрелки), существенные для данной работы, показаны на рисунке 1. Толщина линии, указывающей переходы, качественно передает яркость соответствующей ему спектральной линии. Цифра, стоящая рядом с горизонтальной линией, изображающей энергетический уровень, равна главному квантовому числу n электрона в данном энергетическом состоянии. По вертикальной оси отложена энергия электрона в состоянии с главным квантовым числом n и орбитальным квантовым числом .

Энергия валентного электрона без учета спин-орбитального расщепления может быть вычислена по формуле Ридберга


,
где R = 3,291015 с–1 – постоянная Ридберга, n – главное квантовое число, h = 4,1310–15 эВс – постоянная Планка, – поправка Ридберга, зависящая от n и .

Эмпирически полученные значения поправок Ридберга для атома Na приведены в таблице 1.





Таблица 1 – Поправки Ридберга



n



s ( = 0)

p ( = 1)

d ( = 2)

3

–1,373

–0,883

–0,013

4

–1,358

–0,867

–0,011

5

–1,353

–0,862




1.3 Описание установки
Работа выполняется на стилоскопе СЛ-12. Он предназначен для проведения визуального экспресс-анализа сталей, различных порошковых проб. В стилоскопе вместо системы электродов смонтирована натриевая лампа ДНаС-250 в специальном кожухе. Электрическая схема включения лампы приведена на рисунке 2.

Так как напряжение зажигания лампы не менее 350 В, то при замыкания ключа К тока в цепи не возникает. Если при замкнутом ключе К замкнуть кнопку Кн (нормальное положение – разомкнуто), то в цепи LCR появится переменный электрический ток. При размыкании этой цепи на индуктивности L возникает ЭДС самоиндукции. Величина ЭДС самоиндукции зависит от фазы переменного тока, при которой была разомкнута цепь и может оказаться достаточной для зажигания разряда в лампе.

Рассмотрим устройство лампы и физические процессы протекающие в ней.

Конструктивно лампа состоит из разрядной трубки, выполненной из щелочеустойчивого стекла, в которой находятся два одинаковых оксидных электрода и третий поджигающий электрод. Поджигающий электрод расположен вблизи одного из основных электродов. Разрядная трубка заполнена инертным газом под давлением в несколько мм. рт. ст. и дозированным количеством натрия. Для теплоизоляции она заключена во внешний баллон и воздух между ними откачан до высокого вакуума.

Разряд в лампе начинается при относительно высоком напряжении в виде тлеющего разряда между поджигающим электродом и ближайшим к нему рабочим электродом. В результате межэлектродное пространство практически мгновенно заполняется заряженными частицами, которые и обуславливают развитие дугового разряда между рабочими электродами. Сначала



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3




База данных защищена авторским правом ©coolnew.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Лабораторная работа
Теоретические основы
Методические указания
Общая характеристика
Рабочая программа
Практическая работа
Теоретические аспекты
Методические рекомендации
Пояснительная записка
Дипломная работа
Федеральное государственное
История развития
Учебное пособие
Общие сведения
Основная часть
Направление подготовки
Физическая культура
государственное бюджетное
Теоретическая часть
Самостоятельная работа
История возникновения
Методическая разработка
Краткая характеристика
Практическое задание
Выпускная квалификационная
квалификационная работа
бюджетное учреждение
государственное образовательное
Гражданское право
Название дисциплины
образовательная организация
образовательное бюджетное
Общие положения
Российская академия
прохождении учебной
теоретические основы
Техническое задание
Общая часть
Понятие сущность
история возникновения
Современное состояние
Уголовное право
Методическое пособие
Финансовое право
Экономическая теория
Фамилия студента
Правовое регулирование
организация высшего
Физические основы